کاربرد سیستم حمل و نقل بار شهری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای زیست‌محیطی

امروزه، به دلیل تأثیر فزاینده حمل و نقل بار شهری بر محیط زیست، نیاز زیادی به حمل و نقل سبزتر بار وجود دارد. آب و هوای کره زمین به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار گرفته است، زیرا دما دائماً در حال افزایش است و رویدادهای شدید آب و هوایی بیشتر و بیشتر رخ می‌دهند. با هدف کاهش تأثیر زیست محیطی حمل و نقل بار در مناطق شهری، یک سیستم پیشرفته مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه برای بهبود حمل و نقل بار شهری توسعه داده شده است. این مقاله عملکرد سیستم پیشرفته را ارائه می‌دهد، ضمن اینکه زیرسیستم‌های آن را نیز تجزیه و تحلیل می‌کند و کاربرد آن را در یک مطالعه موردی نشان می‌دهد. این سیستم به عنوان یک نرم‌افزار یکپارچه مبتنی بر ابر برای پشتیبانی از نیازهای شرکت‌های لجستیکی ارائه می‌شود تا بتوانند تحویل‌های خود را به طور مؤثر برنامه‌ریزی کرده و مسیریابی وسایل نقلیه خود را انجام دهند. الگوریتم چند هدفه مورد استفاده، راه‌حل‌هایی را تولید می‌کند که هزینه توزیع یا انتشار گازهای گلخانه‌ای یا ترکیبی از این پارامترها را به حداقل می‌رساند. یک کاربرد از سیستم برای اهداف اعتبارسنجی، در مورد مقایسه نتایج سیستم با داده‌های واقعی مربوطه که توسط یک شرکت لجستیکی متوسط ارائه شده است، انجام می‌شود. نتایج آزمایش، سهم قابل توجه آن را در کاهش تأثیر زیست محیطی خدمات توزیع شرکت نشان می‌دهد.

مقدمه

حمل و نقل بار شهری بخش کلیدی مشکل ترافیک موجود در شهرها است که به طور مستقیم با کیفیت زندگی مصرف‌کنندگان چه از نظر زمان و هزینه سفر (حمل و نقل شهری) و چه از نظر تضمین در دسترس بودن و کیفیت کالاها در فروشگاه‌ها (حمل و نقل بار) مرتبط است. مدیریت حمل و نقل بار شهری شامل بخش‌های زیادی از جمله تولیدکنندگان، بازرگانان، توزیع‌کنندگان، شرکت‌های لجستیک، شرکت‌های انبارداری، شرکت‌های حمل و نقل و در نهایت مصرف‌کنندگان است [5]. نتیجه نهایی این است که در اکثر شهرها، تراکم ترافیک روزانه ایجاد می‌شود که یک مشکل عمده برای حمل و نقل بار شهری است که آخرین مرحله در زنجیره‌های تأمین مدرن را نشان می‌دهد. متأسفانه، این وضعیت علیرغم تلاش‌ها برای رسیدگی به آن، دائماً رو به وخامت است. در واقع، محققان مختلف الگوریتم‌های متمرکز بر کمینه‌سازی انتشار گازهای گلخانه‌ای را پیشنهاد کرده‌اند، اما هیچ یک از آنها در یک نرم‌افزار مسیریابی و برنامه‌ریزی وسیله نقلیه اعمال نشده‌اند [6،7،8،9]. شهرنشینی روزافزون و به ویژه نیاز به تأمین مایحتاج شهرها، منجر به بروز مشکلات متعددی شده است که مهمترین آنها عبارتند از [2،4،10،11]:

افزایش هزینه‌های حمل و نقل به دلیل مصرف بیشتر سوخت و افزایش احتمالی هزینه‌های نیروی کار.
استفاده از تعداد بیشتری از وسایل نقلیه کوچکتر، به دلیل عرض کم جاده‌ها در داخل شهرها، زیرا جریان منظم تحویل باید با وجود ازدحام، به ویژه در ساعات اوج ترافیک، حفظ شود.
پایین بودن قابلیت اطمینان در مورد توزیع به موقع و عموماً روان کالاها.
سهم قابل توجه حمل و نقل در افزایش آلودگی محیط زیست، از جمله افزایش اثر گلخانه‌ای.
آلودگی صوتی ناشی از عملکرد موتورهای سنگین کامیون‌ها که در بسیاری از موارد، باعث ناراحتی روزانه مردم محلی می‌شود. متأسفانه، تنها تعداد کمی از شهرهای اروپایی، به لطف وجود مراکز تاریخی، مناطقی را برای سکونت خالص فراهم کرده‌اند که عبور وسایل نقلیه در آنها ممنوع است.
انسداد حرکت سایر وسایل نقلیه عمومی یا خصوصی، به ویژه هنگامی که تحویل‌ها در طول روز و در مکان‌هایی که جاده‌ها کاملاً باریک هستند، انجام می‌شود.

در واقع، حمل و نقل مسئول تقریباً 30٪ از کل انتشار دی اکسید کربن در اتحادیه اروپا است که 72٪ آن از حمل و نقل جاده‌ای ناشی می‌شود. از این درصد، 60.7٪ از آلاینده‌های منتشر شده توسط خودروها، 11.9٪ از کامیون‌های سبک، 26.2٪ از وسایل نقلیه سنگین، کامیون‌ها و اتوبوس‌ها و 1.2٪ از موتورسیکلت‌ها ناشی می‌شود [12]. علاوه بر حمل و نقل جاده‌ای، بخش‌های مختلف دیگری نیز وجود دارند که تا حد زیادی مسئول انتشار CO2 هستند، مانند ساخت و ساز، تولید و حمل و نقل هوایی و دریایی [13،14،15،16]. با این حال، در بیشتر این بخش‌ها، کاهش انتشار CO2 در مقایسه با بخش حمل و نقل جاده‌ای بسیار چالش برانگیزتر است زیرا اقدامات مورد نیاز پرهزینه‌تر و اجرای آنها دشوارتر است. بنابراین، در این تحقیق ما بر کاهش انتشار CO2 حمل و نقل جاده‌ای با توسعه یک سیستم پیشرفته مسیریابی و برنامه‌ریزی وسایل نقلیه برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای زیست‌محیطی تمرکز کرده‌ایم. تجزیه و تحلیل این داده‌ها باعث شده است که رهبران اتحادیه اروپا محدودیت‌های سختگیرانه‌ای را برای انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت خودرو تعیین کنند و در صورت عدم رعایت، جریمه‌های سنگینی را اعمال کنند که در بسیاری از موارد از دو میلیارد یورو فراتر می‌رود. اتحادیه اروپا قصد دارد تا سال 2050، انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از حمل و نقل را نسبت به سطح سال 1990، 60 درصد کاهش دهد [17]. طبق گزارش بانک جهانی، جمعیت جهان سالانه حدود 81 میلیون نفر افزایش می‌یابد که این امر مستقیماً در مصرف و نیازهای حمل و نقل منعکس می‌شود [18]. علاوه بر این، حجم حمل و نقل جاده‌ای تا سال 2050 در اوراسیا 300 درصد افزایش خواهد یافت [19].

اثرات ترکیبی این مشکلات، اقتصادی و اجتماعی است، تا جایی که نه تنها کارایی حمل و نقل بار شهری را کاهش می‌دهد، بلکه هزینه آن را نیز افزایش می‌دهد، ضمن اینکه کیفیت زندگی شهروندان را کاهش می‌دهد و تأثیر جدی بر سلامت آنها می‌گذارد. با توجه به اینکه اکثریت قریب به اتفاق مصرف‌کنندگان محصولات نهایی در مناطق شهری مستقر هستند، نیاز به حمل و نقل بار شهری مؤثر با کمک سیستم‌های پیشرفته، مانند مسیریابی وسایل نقلیه، برنامه‌ریزی تحویل، مدیریت انبار، جمع‌آوری زباله، بازیافت و سیستم‌های لجستیک معکوس، توجه بیشتری را می‌طلبد. بهینه‌سازی حمل و نقل جاده‌ای از طریق توسعه ابزارها و فرآیندهای دیجیتال، هزینه‌ها و انتشار گازهای گلخانه‌ای را به شدت کاهش می‌دهد، در حالی که کامیون‌ها دیگر برای مدت طولانی در مرز باقی نمی‌مانند. استفاده از پتانسیل سیستم‌های پیشرفته مسیریابی و برنامه‌ریزی وسایل نقلیه، با استفاده از الگوریتم‌های چند هدفه که می‌توانند برای به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه‌ای یا هزینه‌های توزیع تنظیم شوند، می‌تواند منجر به بهبود قابل توجه خدمات توزیع شرکت‌های لجستیکی شود. با این حال، برای بهره‌مندی از مزایای استفاده از چنین سیستم‌های حمل و نقلی، همکاری نزدیک‌تری با همه ذینفعان مورد نیاز است.

بنابراین، اعمال فشارهای نظارتی، مانند فشارهای تعیین‌شده توسط اتحادیه اروپا (EU)، به شکل اقدامات خاص توسط مقامات بر شرکت‌های مختلف تأمین‌کننده، مانند قوانین مربوط به ایجاد خطوط و جدول زمانی، سطح انتشار گازهای گلخانه‌ای از کامیون‌ها، شرایط دسترسی به جاده‌ها، الزامی است. شرکت‌ها می‌توانند از موقعیت مکانی پایانه‌ها نیز استفاده کنند. چنین سیاست‌های سختگیرانه‌ای، مانند سیاست‌هایی که توسط اتحادیه اروپا تعیین می‌شوند، در سراسر جهان با هدف کاهش چشمگیر تأثیرات زیست‌محیطی حمل‌ونقل بار شهری، در حال اعمال هستند. اکثر این سیاست‌ها در سطح استراتژیک تنظیم شده‌اند و شامل ارائه وضعیت فعلی، مقایسه آن با اهداف آینده‌ای که تعیین کرده‌اند و در نهایت، نمایش اقداماتی هستند که باید برای دستیابی به اهداف انجام شوند. با تکامل سریع فناوری، این سیاست‌های استراتژیک ممکن است با استفاده از سیستم‌های پیشرفته بیشتر مورد حمایت قرار گیرند، زیرا بشریت می‌تواند توسط ابزارهای پیشرفته‌ای که می‌توانند کارهای روزانه را تسهیل کنند، یاری شود. در واقع، امروزه ما در عصر تحول دیجیتال هستیم که در آن شهرها به طور فزاینده‌ای هوشمند می‌شوند و بسیاری از فعالیت‌های پیچیده را می‌توان با استفاده از سیستم‌ها و روش‌های پیشرفته ساده کرد [20،21]. همه این حقایق فرصت بزرگی را برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی فعالیت‌های روزانه، به ویژه فعالیت‌هایی که تأثیر زیادی دارند، مانند حمل و نقل بار شهری، ایجاد می‌کند.

برنامه‌ریزی تحویل و مسیریابی وسایل نقلیه تا به امروز یک مسئله‌ی لاینحل بوده و هست. این مسئله برای کسب‌وکارها از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا از یک سو، بر هزینه توزیع و در نتیجه عملکرد کلی کسب‌وکار تأثیر می‌گذارد و از سوی دیگر، بسیاری از شرکت‌ها نسبت به محیط زیست حساس‌تر شده و علاقه‌مند به کاهش ردپای زیست‌محیطی خود هستند. با این حال، وظیفه مسیریابی و برنامه‌ریزی وسایل نقلیه همیشه کار آسانی نیست. برعکس، می‌تواند بسیار پیچیده شود زیرا عوامل و پارامترهای مختلفی باید هنگام انجام مسیریابی و برنامه‌ریزی وسایل نقلیه در نظر گرفته شوند. برای انجام این کار، محققان سال‌هاست که مسئله مسیریابی وسایل نقلیه (VRP) و انواع آن را مطالعه کرده‌اند.

طبق تحقیقات کنستانتاکوپولوس و همکاران (2020) [22]، از جمله انواع VRP که بیشتر توسط محققان و متخصصان مورد توجه قرار می‌گیرند، می‌توان به پنجره‌های زمانی (VRPTW) و دریافت و تحویل همزمان (VRPSPD) اشاره کرد. در مورد VRPTW، مشتریان یک بازه زمانی را نشان می‌دهند که در آن وسیله نقلیه ممکن است شروع به خدمت‌رسانی به مشتری کند. از سوی دیگر، در VRPSPD، در هر مرحله از توزیع، کالاهای موجود در کشتی نمی‌توانند از ظرفیت وسیله نقلیه تجاوز کنند. بنابراین، دریافت و تحویل فقط زمانی مجاز است که فضای موجود وجود داشته باشد. این دو نوع، مواردی هستند که ما در تحقیق حاضر بر آنها تمرکز می‌کنیم، زیرا نیازهای اکثر شرکت‌های لجستیک را پوشش می‌دهند. علاوه بر این دو نوع، چندین پارامتر استاتیک دیگر، مانند انواع دیگر VRP، و همچنین سایر پارامترهای پویا، ممکن است در نظر گرفته شوند و بنابراین، پیچیدگی فرآیند برنامه‌ریزی مسیر را افزایش می‌دهند.

لازم به ذکر است که یک شکاف تحقیقاتی و همچنین فقدان الگوریتم‌ها و ابزارهای هدفمند برای مسیریابی و برنامه‌ریزی وسایل نقلیه در مناطق شهری وجود دارد، زیرا این مناطق در واقع مناطقی هستند که بیشتر توسط حمل و نقل جاده‌ای آلوده می‌شوند. علاوه بر این، اکثریت قریب به اتفاق ابزارهای موجود فقط بر کاهش هزینه خدمات بدون در نظر گرفتن تأثیر زیست‌محیطی فعالیت‌ها تمرکز دارند. مطالعات مختلفی انجام شده است که به وضوح تأثیرات اقتصادی و زیست‌محیطی حمل و نقل بار شهری را نشان می‌دهد و مشخص می‌شود که امروزه بیش از هر زمان دیگری نیاز به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی آنها وجود دارد [23،24]. همانطور که بسیاری از دانشمندان اشاره کرده‌اند، این سیاره در حال انتقام گرفتن از ماست و به دلیل انتشار گازهای گلخانه‌ای به طور فزاینده‌ای گرم می‌شود، در حالی که بشریت نیز باید با پدیده‌های آب و هوایی شدید بیشتری دست و پنجه نرم کند.

در عین حال، شرکت‌های لجستیک شهری که در مناطق شهری و در محیطی بسیار رقابتی فعالیت می‌کنند، باید اهداف زمان‌بندی تحویل متناقض بسیاری را مدیریت کنند، مانند هزینه‌های تحویل کمتر، رضایت بیشتر مشتری، رعایت قوانین و مقررات و کاهش تأثیر بر محیط زیست. در واقع، لجستیک شهری، به عنوان وسیله‌ای که توزیع بار در مناطق شهری از طریق آن انجام می‌شود، نیازمند جابجایی کارآمد بار شهری است، در عین حال که عوامل خارجی که ممکن است دستیابی به اهداف آنها را به خطر بیندازد، کاهش می‌دهد. لجستیک شهری به شدت به حمل و نقل بار شهری مرتبط است، اما محدود به آن نیست، زیرا یکی از فعالیت‌های کلیدی آنها است، بلکه خدمات فراوانی را برای جابجایی کارآمد کالاها از تولید به مصرف ارائه می‌دهد. علاوه بر این، در مناطق شهری، که لجستیک شهری در آن انجام می‌شود، محدودیت‌های زمانی سختگیرانه‌ای اعمال می‌شود و داده‌ها به صورت پویا تغییر می‌کنند و بنابراین، مسیریابی وسایل نقلیه و زمان‌بندی تحویل‌ها، به ویژه هنگامی که پارامتر تأثیر بر محیط زیست در میان باشد، چالش برانگیزتر می‌شود. حمل و نقل و توزیع محصولات از مهمترین فعالیت‌های لجستیک شهری است، ضمن اینکه اگر این واقعیت را نیز در نظر بگیریم که بیشترین درصد هزینه‌های لجستیک یک بنگاه تجاری یا صنعتی مربوط به حمل و نقل و توزیع است، اهمیت مدیریت ناوگان حمل و نقل و مسیریابی بهینه بیش از پیش آشکار می‌شود.

بنابراین، با توجه به ماهیت حمل و نقل بار شهری، استفاده از نرم‌افزارها و سیستم‌ها برای انجام مؤثر وظایف مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه به یک ضرورت تبدیل می‌شود. در واقع، مشخص شده است که استفاده از سیستم‌های کامپیوتری برای مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه، به ویژه در مواردی که بیش از 10 وسیله نقلیه مورد نیاز است، معمولاً منجر به کاهش هزینه بین 10 تا 20 درصد می‌شود [25]. این کاهش‌ها در صورت استفاده از الگوریتم‌های مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه که بر پارامترهای بهینه‌سازی خاص تمرکز دارند، می‌توانند بیشتر نیز افزایش یابند. در نهایت، باید توجه داشت که سیستم‌های کامپیوتری علاوه بر کاهش هزینه خدمات توزیع شرکت‌های لجستیک، می‌توانند بر پارامترهای دیگری مانند به حداقل رساندن مسافت طی شده و انتشار گازهای گلخانه‌ای کامیون نیز تمرکز کنند.

بنابراین، با هدف پر کردن شکاف تحقیقاتی و مشارکت در حوزه تحقیقاتی مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه تحت محدودیت‌های انتشار، ما یک سیستم پیشرفته توسعه دادیم. به طور خاص، هدف این مقاله ارائه یک سیستم مسیریابی و زمان‌بندی وسایل نقلیه است که برای کاهش اثرات زیست‌محیطی حمل و نقل بار شهری توسعه داده شده است. به همین دلیل، عملکرد سیستم ارائه شده و یک مطالعه موردی از کاربرد آن در یک شرکت لجستیک متوسط مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در ادامه مقاله، ما راه‌حل خود را برای دستیابی به کاهش انتشار زیست‌محیطی در حمل و نقل بار شهری ارائه می‌دهیم. به طور خاص، بخش 2 سیستمی را که تیم ما توسعه داده است، و همچنین عناصر معماری و عملکرد آن را ارائه می‌دهد. پس از آن، بخش 3 مطالعه موردی ما را در مورد کاربرد سیستم توسعه‌یافته، برای اهداف اعتبارسنجی، در مورد مقایسه نتایج سیستم با داده‌های واقعی مربوطه ارائه شده توسط یک شرکت لجستیک متوسط ارائه می‌دهد. در نهایت، بخش 4 بخش نتیجه‌گیری مقاله ما است که در آن نتایج تحقیقات خود را مورد بحث قرار می‌دهیم، تحقیق و محدودیت‌های سیستم را نشان می‌دهیم و در نهایت، اهداف آینده خود را ارائه می‌دهیم.(منبع).